基于节能理念的建筑自然通风设计探究

唐晓华

（广西观筑建筑设计顾问有限责任公司，广西 南宁 530021）

1 问题分析

当前，随着我国经济的迅猛发展，建筑能耗增长迅猛。建筑能耗一般包括采暖、空调、热水供应、照明、炊事、家用电器等方面的能耗，其中采暖、空调能耗约占60%～70%。据1998年估算的数据显示，中国建筑用商品能源消耗已占全国商品能源消费总量的 27.6%，接近发达国家的 30%～40%。我国是能源相对贫乏的国家，建筑节能迫在眉睫，而据专家估算，约2/3～3/4的建筑能耗可通过合理的措施节省下来，相对自然通风和机械辅助式自然通风两种模式，自然通风便是一项成熟而低廉的技术措施，在建筑设计中应充分、合理地加以使用。本文在建筑节能的基础上，从建筑设计的角度出发，探讨在设计中如何合理地利用自然通风。

2 自然通风技术的节能优势

与同纬度许多发达国家相比，我国冬天气候更冷，夏天气候更热，南方空气湿度高，近几年愈演愈烈的“电荒”更宣告了今后我国总体能源偏紧的不争事实。除了南方沿海生产用电的大量增长，电荒的主要原因来源于空调和北方燃气供暖，以2003年为例，全国当年用电量为1.89万亿千瓦，空调能耗就占到了15%，且北方冬天采暖耗能比夏季空调能耗高一个数量级。我国能源有限，而发展又是必需的，因此唯有节能才是自救良方。采用自然通风方式的根本目的是取代（或部分取代）空调制冷系统，实现有效被动式制冷，当室外空气温湿度较低时，自然通风可以在不消耗不可再生能源的情况下降低室内温度，带走潮湿气体，达到人体热舒适，即使室外空气温湿度超过舒适区，需要消耗能源进行降温降湿处理，也可以利用自然通风输送处理后的新风，而省去风机能耗，且无噪声。这种方式有利于减少能耗、降低污染，符合可持续发展的思想，是当今建筑普遍采取的一项改革建筑热环境、节约空调能耗的技术措施。

3 自然通风的原理与模式

建筑的自然通风从动力来源上可分为完全自然通风和机械辅助自然通风两种模式。完全自然通风是由来自室外风速形成的“压差”和建筑表面的洞口间位置及温度造成的“温差”形成的室内外空气流动。按照热力学原理，建筑室内温度有沿高度逐渐向上递增的特点，该特点是建筑随层高增加而使上下之间温差加剧的主要原因，设计师也经常利用这一点挖掘建筑自然通风的潜力。机械辅助自然通风是利用温差造成的热压和机械动力相结合而形成的室内外空气对流。与完全自然通风相比，虽然建筑内局部作为辅助动力的机械装置要消耗一定的能源，但通过这种装置重新组织气流，甚至在局部“强迫”气流改向，可以使自然通风达到更好的效果。在这两种通风模式中，屋顶都是形成温差、组织气流的重要环节，在整个自然通风系统中起着重要作用。

4 建筑自然通风设计理念

4.1 建筑结构方面的优化设计

4.1.1 利用风压实现自然通风

在外部风环境良好的地区，风压可作为实现自然通风的主要手段。风压通风即“穿堂风”，是指风从建筑迎风面的进风口吹入室内，穿过房间，从背风面的出风口流出。进风口和出风口之间的风压差越大，房屋内部空气流动阻力越小，通风越流畅。合理的建筑规划可以充分利用“穿堂风”来调节建筑物的温度。

4.1.2 利用热压实现自然通风

受到周围建筑布局或高大植被影响的建筑物可以利用建筑内部空气的热压差，即“烟囱效应”来实现建筑的自然通风。根据热空气上升的原理，在建筑上部设排风口将污浊的热空气从室内排出，而室外新鲜的冷空气则从建筑底部被吸入，达到自然通风的目的。在建筑设计中，可利用建筑物的楼梯间、中庭等竖向空腔满足进排风口的高差要求，而室内外温差和进、出风口的高差越大，热压作用越明显。

4.1.3 风压与热压相结合实现自然通风

在建筑的自然通风设计中，风压通风与热压通风往往是互为补充、密不可分的。一般来说，在建筑进深较小的部位多利用风压来直接通风，而进深较大的部位则多利用热压来达到通风效果。

4.1.4 机械辅助式自然通风

在一些大型建筑中，由于通风路径较长，流动阻力较大，单纯依靠自然风压与热压往往不足以实现自然通风。而对于空气污染和噪声污染比较严重的城市，直接的自然通风还会将室外污浊的空气和噪声带入室内，不利于人体健康。在这种情况下，常常采用一种机械辅助式的自然通风系统。机械辅助式自然通风是利用温差造成的热压和机械动力相结合而形成的室内外空气对流，该系统有一套完整的空气循环通道，辅以符合生态思想的空气处理手段（如土壤预冷、预热、深井水换热等），并借助一定的机械方式加速室内通风。

4.2 建筑构件上的优化设计

4.2.1 建筑物门窗洞口的优化设计

建筑物的门窗洞口的设置以及门窗洞口的尺寸、窗户的型式和开启方式，窗墙面积比等的合理设计，直接影响着建筑物内部的空气流动以及通风效果。根据测定，当开口宽度为开间宽度的 1/3～2/3，开口大小为地板总面积的 15%～25%时，通风效果最佳。开口的相对位置对气流路线起着决定作用。进风口与出风口宜相对错开布置，这样可以使气流在室内改变方向，使室内气流更均匀，通风效果更好。

4.2.2 通风隔热屋面的应用

通风隔热屋面通常有以下两种方式：①在结构层上部设置架空隔热层。这种做法把通风层设置在屋面结构层上，利用中间的空气间层带走热量，达到屋面降温的目的，另外，架空板还保护了屋面防水层；②利用坡屋顶自身结构，在结构层中间设置通风隔热层，也可得到较好的隔热效果。

4.2.3 双层玻璃幕墙围护结构的应用

双层（或三层）幕墙是当今生态建筑中所普遍采用的一项先进技术，被誉为“会呼吸的皮肤”，它由内外两道幕墙组成。其通风原理是在两层玻璃幕墙之间留一个空腔，空腔的两端有可以控制的进风口和出风口。在冬季，关闭进出风口，双层玻璃之间形成一个“阳光温室”，提高围护结构表面的温度；夏季，打开进出风口，利用“烟囱效应”在空腔内部实现自然通风，使玻璃之间的热空气不断的被排走，达到降温的目的。为了更好地实现隔热，通道内一般设置有可调节的深色百叶。双层玻璃幕墙在保持外形轻盈的同时，能够很好地解决高层建筑中过高的风压和热压带来的风速过大造成的紊流不易控制的问题，能解决夜间开窗通风而无需担心安全问题，又可加强围护结构的保温隔热性能，并能降低室内的噪音。在节能上，双层通风幕墙由于换气层的作用比单层幕墙在采暖时节约能源42%～52%，在制冷时节约能源38%～60%，是建筑节能的一个新方向。

4.3 多种其它能源的合理应用

4.3.1 太阳能强化自然通风

在设计中，可充分利用太阳能这一可持续能源转化为动力进行通风。太阳能强化自然通风的建筑结构主要有：屋面太阳能烟囱、Trombe墙和太阳能空气集热器。以上3种结构可以单独设置，但为了在夏季达到更好的冷却效果，通常将这些做法与其他建筑结构组合成一个有组织的自然通风系统。

4.3.2 夜间自然通风的利用

蓄热材料作为建筑维护结构，可以延缓日照等因素对室内温度的影响，使室温更稳定，更均匀，即白天不会因为太阳照射而温度过高，夜晚不会因迅速冷却而温度过低。蓄热材料在白天吸收大量热量，使得室温不至于过高，同时夜间使室内温度居高不下。因此在夏季夜晚利用室外温度较低的冷空气对蓄热材料进行充分的通风降温，是改善夜间室内温度、发挥蓄热材料潜力的有效手段。

4.3.3 风力发电系统的应用

集中式的风力发电系统以建筑群和小区为单位，放在小区的上风处；分散式可在多风偏僻地区安装独立风车，自成体系为建筑能源。这种风能利用系统大都是将电力送入电网，建筑物再从电网获取电力。在偏远地区有条件的建筑中可设风/光互补发电系统，综合利用风能和太阳能，无需架设远距离的电网来获取电力。

5 结束语

总之，随着能源消耗和环境问题的日趋突出及人们节能意识的逐步加强，利用自然通风改善建筑室内环境越来越受到重视。特别是在属于亚热带气候的岭南地区，炎热、潮湿、多雨的气候特点决定了岭南建筑在自然条件中所要解决的主要矛盾是通风防热，而自然通风作为一种廉价高效的设计手段，不但能实现建筑节能，还能创造健康的人居环境，是可持续发展的设计理念的具体体现，具有很深的推广意义。